摘要：随着我国电力市场发展和完善，特高压直流输电工程建设也得到了逐步发展和完善，随着新能源并网进程的持续推进，电网薄弱以及静电无功设备响应慢等问题在输电工程中日益凸显。基于此，电力系统在发展过程中逐步使用新一代大容量调相机，为电网的动态无功提供支撑，保证电网的安全稳定运行。本文结合新一代大容量调相机的结构和功能，分析其在电力工程中的实际应用并提出合理的建议，希望能够为我国新一代大容量调相机的实际工程应用及性能优化提供参考。
关键词：新一代大容量调相机；结构；性能特点；工程应用
0引言
同步调相机在电力系统中的主要作用是进行无功补偿，它能够为电力系统提供无功功率，吸收电力系统的无功功率。作为同步电机，不带机械负载，这是它与火力发电机组的最大区别，它不是传统的原动机，在应用过程中通过发出和吸收无功功率来调节电网功率因数，保证正常的电网电压水平。近些年的特高压直流输电发展过程中，对于无功动态补偿的要求也越来越高，对容量的需求也在不断增加。所以，要提高特高压直流输电的无功补偿调节能力，就需要加速大容量快速响应调相机的研制和投用，借助调相机来实现电网的逆调压，保证换流站的短路比在合理的范围内，提高换流站的稳定性。
1新一代大容量调相机的结构
随着电网建设的逐渐完善，电网的安全性和稳定性要求也进一步提高。在电力工程应用尤其是特高压直流输电工程中，若想有效减少直流输电故障以及换相失败等问题，则需要充分考量电网中动态无功支持需求。国家电网公司也在加速配套特高压直流工程建设的大容量同步调相机组研制和应用，目前300Mvar级的新一代大容量同步调相机组已经在特高压直流输电工程中发挥了重要作用。而在此之前，我国投用的调相机组是100Mvar小容量调相机，无论是在制造工艺还是在运行效果上，都难以满足直流输电的实际需求，因此，逐渐被新一代大容量调相机所取代。
和传统调相机相比较，新一代大容量调相机的设计额定容量达到了300Mvar级别，动态无功输出也能够达到额定容量的两倍，极端电压在0.8Um时，电压的强励效果能够达到三倍以上，电流的强励在2.5倍左右，时间能够持续十五秒以上。新一代大型调相机系统主要包括调相机主机、励磁系统、油系统以及冷却系统和SFC系统，其主要的系统接线图如图1所示。
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图1新一代大容量调相机组示意图
对于新一代大容量调相机的研制和投用中，主要有空调调相机和双水内冷调相机两种结构，在传统发电机制造的基础上进行了原型设计优化。
2新一代大容量调相机的运行特性分析
为满足电力系统无功补偿需求，新一代调相机根据要求进行了特殊设计。尤其是在短时间内的无功补偿能力方面，其超强的“爆发力”能够在很大程度上抑制换相失败的问题。其次，在瞬态、暂态和稳态等方面都具有良好的性能，保证了调相机能够在全天候的为基于系统必要的无功补偿和电压提供支撑。如果在极端时间内电网发生了异常，电压会立马发生变化，此时瞬态特性就能够在短时间内进行大规模的无功功率释放，以保证电压能够在短时间内实现一定的跌落，并保持一定合理的速度，通常其作用的时间是几到几十毫秒。调相机的暂态特性则主要表现在电网的恢复阶段，该阶段电压较低，借助调相机的励磁系统能够实现强励，同时为电力系统提供足够的无功支撑。最后，在电力系统的正常状态下稳态特性就发挥了重要作用，调相机能够结合系统需要进行连续的无功调节，产生容性和感性无功。并在无功补偿的过程中，调相机也会基于系统足够的短路容量和转动惯量，保证正常的电网性能。
2.1次暂态特性
由于调相机存在转子阻尼绕组，所以其具有次暂态特性。在特高压直流输电过程中，一旦发生直流换相运行失败，次暂态特性能够在瞬间为电网电压提供大量的无功支撑，防止换相失败。此过程中响应时间受到直轴短路次暂态时间常数的影响，用Td″表示，其是电磁设计的基本常数，数值较小，一般只有几十毫秒。而调相机提供的无功功率主要由调相机的直轴次暂态电抗决定，用Xd″表示。Xd″和调相机能够提供的次暂态无功功率成反比，能够很好的抑制换相失败。在新一代大容量调相机的设计过程中，为了防止特高压直流输电换相失败，保证瞬时的无功支撑，设计中大大见笑了Xd″的设计值，使得新一代调相机的瞬时无功输出提高到了1.5倍，保证了次暂态过程的无功输出。。
2.2暂态特性
一旦特高压直流输电系统发生故障，出现电压跌落现象，依赖于调相机的次暂态过程，在极短的时间内电压会迅速发生跌落，此时调相机的强励作用没有真正发挥作用，体现出的实际是暂态特性。在调相机的强励作用下，能够马上为系统提供进一步的无功支撑，为系统的电压需求提供保障。同时，该过程响应时间的主要影响参数也是直轴短路暂态时间常数。
结合实际工程需要进行设计优化之后，新一代调相机的电压强励能够达到3.5倍，电流强励也会达到2.5倍，并且该过程能够持续十五秒。和传统的发电机组励磁系统强励倍数相比较，其强励能力是传统励磁系统的二到三倍。这就是表示新一代大容量调相机能够承受3.5倍强励电流的过负荷，使得系统的过载能力大大提高。与此同时，新一代调相机在设计优化过程中还降低了直轴短路暂态时间常数，使得调相机能够在1s内实现正常无功出力至最大强励无功功率的改变。
2.3稳态特性
一旦特高压直流输电系统发生故障，在调相机的短时强励作用下，如果系统的电压仍不能满足系统需求，就需要调相机持续地以额定无功功率运行，保证输电系统的稳定运行。另外，如果系统电压升高，调相机还会进行进相运行，并且其能够实现0.5Sn的深度进相调节，保证系统能够长期稳定吸收150Mvar无功功率。
3新一代大容量调相机的工程应用研究
3.1新一代大容量调相机直流送端的应用研究
3.1.1增加系统短路比和短路容量
随着新能源并网等电力系统拓展，我国很多的边远地区在特高压直流电的送端假设过程中，网架的建设还不够完善，一定程度上难以支撑直流输电。所以，该过程中就要借助有效短路比来衡量交流系统对直流系统的支撑能力。通过调研发现，加装了新一代大容量调相机之后，调相机作为旋转设备，其在直流送端的短路比和短路容量大大增加，能够极大地提高交流电网的支撑能力，增加系统的短路电流和有效短路比。
3.1.2降低新能源高压脱网风险
在受端换流站的故障分析中，近区短路等故障会导致系统发生直流换相失败。如果系统发生直流换相失败，交流滤波器将释放大量的无用功，将导致母线的电压升高。该过程的暂态电压会超过限定值，严重情况将导致风机的大面积高压脱网。所以，如果风机运行的电压超出了合理范围，在一定程度上将大大增加运行控制的难度。
通过加装新一代大容量调相机，借助其次暂态特性，能够通过发生感性无功，保证暂态过电压抑制在合理范围内，使得风机的最大暂态压力能够维持在科学范围内，进而有效降低风机控制的压力，保证风机的正常运行。
3.1.3抑制稳态过电压
要防止直流双极闭锁故障的发生，可以通过加装调相机的方式来解决，并进一步保证系统功角的稳定性，在调相机进相作用下吸收多余的无功。保证系统在故障发生后，能够将稳态压保持在稳定范围内。
3.2新一代大容量调相机在直流受端的应用研究
3.2.1提高直流多馈入短路比
在直流多馈入地区，要衡量交流系统对直流的支撑能力，通常采用直流多馈入短路比来描述。在加装了新一代大容量调相机之后，不仅能够增强地区的交流电网短路容量，还能够提升直流多馈入短路比，提高交流电网对直流的支撑能力。
3.2.2降低多回直流同时换相失败的风险
借助新一代大容量调相机的次暂态特性，当故障发生时调相机能够发出大量无功，有效避免直流换相失败故障。笔者结合工作实际发现，在加装了新一代大容量调相机之后，多回直流大幅减少，换流失败故障也得到了大大缓解。
3.2.3对于短路电流的影响
在我国电网建设和特高压直流输电过程中，在网架上加装调相机，能够对附近站点的短路电流提供支持，甚至能够达到1.5~3.5kA。即使不加装调相机，我国很多地区的电网建设中也存在严重的短路电流超标问题，所以在一些地区和站点甚至达到了开关遮断电流。所以，在这个过程中可以采用改变系统运行方式和改变网架结构等方式来有效控制电流，使其维持在合理范围内。
结论
为有效缓解也高压直流输电过程中的无功储备减少、电压调节特性不佳以及换相失败等问题，新一代大容量调相机的研发和投用为问题解决提供了新思路。在新一代调相机的实际应用过程中，其效果和改进研究仍需根据工程实况不断深入，为特高压直流输电工程保驾护航。
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作者简介：
阎乃臣，（1985.04-），高级工程师，国网蒙东检修公司特高压伊克昭换流站，从事特高压直流输电运维管理工作。
论文作者:阎乃臣
论文发表刊物:《电力设备》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/30